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컴퓨터 통신망 기초

디지털 통신

아날로그(Analog) 신호

• 자연 상태에서 나타나는 연속적인 값을 정보로 표현
• 예: 전화(유선), FM 라디오
• 신호가 연속적이며, 잡음에 취약하고 신호 손실이 발생할 수 있음

디지털(Digital) 신호

• 0과 1의 조합으로 부호화된 신호로 정보를 표현
• 예: 이동전화, IPTV
• 잡음에 강하며, 신호 지연 및 손실에 대해 보완 가능
• 자가 오류 정정 기법 도입 가능
• 매체 다중화로 대역폭 활용도 향상
• 정보 암호화 용이

데이터 전송 방식의 분류

직렬 전송(Serial Communication)

• 데이터를 1비트씩 순차적으로 전송
• 전송선 하나 사용
• 예: USB 케이블

병렬 전송(Parallel Communication)

• 여러 비트를 동시에 전송
• 여러 전송선 사용
• 예: 컴퓨터 내부 버스, 프린터 케이블

동기식 전송(Synchronous Transmission)

• 타이밍 제어 신호와 데이터 신호를 동기화하여 전송
• 고속 통신에 유리

비동기식 전송(Asynchronous Transmission)

• 하나의 통신선을 이용해 제어 비트와 데이터 비트를 전송
• 하드웨어 비용이 낮음

데이터 전송 방식의 추가 분류

전송 방향에 따른 분류

• 단방향(Simplex): 한 방향으로만 데이터 전송 가능
  • 예: 방송, 키보드 입력, 화면 출력
• 반이중(Half Duplex): 양방향 전송 가능하지만 동시에 전송 불가
  • 예: 팩스, 무전기
• 전이중(Full Duplex): 동시에 양방향 데이터 전송 가능
  • 예: 전화, 일반 데이터 네트워크

회선 접속 방식에 따른 분류

• 점대점(Point-to-Point): 두 장치가 전용 회선으로 연결
  • 예: 블루투스
• 다지점(Multipoint): 하나의 통신 회선에 여러 장치 연결
  • 예: 이더넷

망 구성 범위에 따른 분류

• LAN(Local Area Network): 근거리 통신망
  • 집, 사무실, PC방 등 단일 네트워크 구성
• MAN(Metropolitan Area Network): 도시 지역 통신망
  • 여러 LAN을 연결한 도시 단위 네트워크
• WAN(Wide Area Network): 광역 통신망
  • 근거리 통신망을 벗어난 넓은 지역을 커버
  • MAN들이 모여 WAN을 구성

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OSI 7-계층 모델과 프로토콜

OSI 7계층 모델

• 표준 프로토콜을 사용하여 다양한 시스템이 통신할 수 있도록 국제표준화기구(OSI)에서 제정한 개념 모델
• 7계층: Application, Presentation, Session, Transport, Network, Data Link, Physical
• 각 계층은 자신의 기능에 맞는 프로토콜을 사용하며, 계층 간 독립적으로 동작

계층 1: Physical (물리 계층)

• 전기적, 기계적, 기능적 특성에 따라 데이터 전송을 담당
• 전송 매체: Coaxial, Fibre Optic, UTP, Radio 등
• 리피터(Repeater): 동일 LAN 상에서 거리를 연장하거나 접속 시스템의 수를 증가시키기 위해 사용
  • 신호의 감쇠, 잡음 등에 의한 신호 훼손 방지

계층 2: Data Link (데이터 링크 계층)

• 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 프레임 단위로 오류 검출 및 흐름 제어 담당

• 스위칭 허브(Switching Hub): 연결 장치 간 스위칭 역할, LAN을 여러 병렬회선 형태로 세그먼트화

• 브리지(Bridge): 복수의 LAN을 서로 연결, 전체 네트워크의 노드 수 및 거리 확장

• 이더넷과 와이파이

  • 이더넷(Ethernet, IEEE 802.3)
    • 모든 장치는 고유의 MAC 주소를 가짐
    • 데이터 전송 시 충돌(collision) 감지 및 제어
    • 유선 네트워크의 대표적 표준
  • 와이파이(Wi-Fi, IEEE 802.11)
    • 이더넷과 동일한 형태의 MAC 주소 사용
    • 2.4GHz, 5GHz 주파수의 무선 통신 이용
    • 무선 네트워크의 대표적 표준

이더넷의 다중 접근 제어 (CSMA/CD)

• CSMA/CD(Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection)는 유선 이더넷에서 사용하는 다중 접근 제어 방식
  • 노드(호스트)는 데이터 전송 전에 회선이 사용 중인지 점검
  • 회선이 사용 중이면 임의의 시간만큼 기다린 뒤 다시 시도
  • 회선이 사용 중이 아니면 데이터 전송 시작
  • 데이터 전송 중 충돌이 검출되면 충돌 발생 사실을 모든 노드에 통보
  • 충돌이 발생하면 임의의 시간 동안 대기 후 다시 시도 (exponential backoff)

무선 랜의 다중 접근 제어 (CSMA/CA)

• CSMA/CA(Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance)는 무선 랜(와이파이)에서 사용하는 다중 접근 제어 방식
  • RTS(Request To Send)와 CTS(Clear To Send)를 이용해 한 쌍의 노드 사이에만 데이터 전송이 이루어지도록 함
  • 채널이 비어 있는지 확인하고, 비어 있으면 RTS를 보내고 CTS를 받으면 데이터 전송
  • 충돌을 피하기 위한 사전 조치(avoidance)에 중점

흐름 제어 (Flow Control) – 슬라이딩 윈도우 프로토콜

• 송신측은 각 프레임에 순차 번호(sequence number)를 매김
• 순차 번호 및 오류 검출 코드를 프레임에 포함해 순서대로 전송
• 수신측은 각 프레임에 대한 응답(ACK)을 프레임으로 회신
• 슬라이딩 윈도우: 송신측이 응답을 받지 않고도 연속해 전송할 수 있는 프레임 개수 제한
• 응답을 받지 못한 프레임은 재전송

오류 검출 (Error Detection)

• 패리티 비트(Parity Bit)
  • 가장 간단한 오류 검출 코드
  • 데이터의 1의 개수가 짝수(짝수 패리티) 또는 홀수(홀수 패리티)가 되도록 1비트 추가
  • 단일 비트 오류 검출 가능, 2비트 이상 오류는 검출 불가
• 체크섬(Checksum)
  • 여러 데이터 블록의 합을 이용해 오류 검출
  • 송신측은 데이터 블록의 합을 계산해 체크섬으로 전송 데이터에 추가
  • 수신측은 받은 데이터의 합을 계산해 체크섬과 비교, 불일치 시 오류로 간주
  • 여러 비트의 오류 검출에 사용, 하지만 완벽하지는 않음

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IP 네트워크와 주소지정

프로토콜과 프로토콜 스택

• 프로토콜(Protocol)
  • 서로 다른 컴퓨터 사이에 데이터를 주고받기 위한 약속
  • 하드웨어, 데이터 표현 방식 등이 다를 수 있으므로 표준 프로토콜을 정해 “규약”을 따름
  • 주소 지정, 데이터 흐름 제어, 연결 제어, 캡슐화, 다중화 방식 등을 규정
• 프로토콜 스택(Protocol Stack)
  • 여러 계층의 프로토콜이 쌓여서 복잡한 통신을 지원
  • 이메일 메시지에 보낸 사람/제목 포함, 특정 파일 지정, 여러 컴퓨터의 매체 공유, 장비 연결 방식 등 다양한 통신 문제를 계층별로 해결

OSI 모델과 인터넷 프로토콜

• OSI 7계층 모델
  • Application, Presentation, Session, Transport, Network, Data Link, Physical 계층으로 구성
• 인터넷 프로토콜 스택
  • Application, Transport(TCP/UDP), Internet(IP), Link(Device Driver) 등으로 단순화
• 캡슐화(Encapsulation)
  • 각 계층에서 데이터에 헤더를 추가하며 하위 계층으로 전달
  • 실제 전송 시, 하위 계층부터 상위 계층 순서로 헤더가 붙음

인터넷 주소 체계

• IP 주소는 4바이트(32비트)로 구성, 각 바이트는 점으로 구분
• 클래스별 구조
  • Class A: 1~126, subnet mask 255.0.0.0, NET ID 1바이트, HOST ID 3바이트
  • Class B: 128~191, subnet mask 255.255.0.0, NET ID 2바이트, HOST ID 2바이트
  • Class C: 192~223, subnet mask 255.255.255.0, NET ID 3바이트, HOST ID 1바이트
  • Class D: 224~239, 멀티캐스트 주소
  • Class E: 240~254, 예약

CIDR (Classless Inter-Domain Routing)

• 주소지정 방법의 제한 완화 및 효율적 라우팅을 위해 고안(IETF, 1993)
• CIDR 표기법
  • 네 부분의 십진수 IP주소 + 슬래시(/) + 0~32 이하 정수
  • 슬래시 뒤 숫자는 netmask에서 상위 몇 비트를 네트워크 주소로 사용하는지 의미
  • 예: 172.18.0.0/24 → 24비트가 네트워크 주소, 나머지 8비트가 호스트 주소
  • 할당 가능한 IP 주소 범위: 172.18.0.1 ~ 172.18.0.254

포트(Port)와 소켓(Socket)

• 하나의 IP 주소에도 여러 개의 포트가 연결될 수 있음
• 포트는 네트워크에서 각 애플리케이션(서비스)을 구분하는 논리적 번호
• IP 주소와 포트 번호의 조합(IP:Port)이 하나의 소켓을 구성
  • 예시: 192.168.0.1:8080
  • 소켓 = IP 주소 + 포트 번호
• 클라이언트와 서버가 통신할 때 각자의 소켓(IP+Port)로 연결
  • 예: 클라이언트(IP1:5000) → 서버(IP2:80, 웹서버), 서버(IP2:25, 메일서버)
• 대표적인 well-known port

프로토콜	TCP	UDP
FTP	20, 21
SSH	22
Telnet	23
SMTP	25
DNS	53	53
HTTP	80
POP3	110
NTP	123	123
IMAP4	143
HTTPS	443
		DHCP 67, TFTP 69, SNMP 161

TCP

TCP 연결 설정과 데이터 전송

• TCP는 신뢰성 있는 연결 지향형 프로토콜
• 연결 설정(3-way handshake):
  1. 클라이언트가 서버에 SYN 패킷 전송(연결 요청)
  2. 서버가 SYN+ACK 패킷으로 응답(연결 수락)
  3. 클라이언트가 ACK 패킷 전송(연결 확립)
• 데이터 전송 시 각 패킷에는 순서번호(Seq)와 확인응답번호(Ack)가 포함
• 송신 측이 데이터를 보내면, 수신 측이 ACK로 응답
• 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 각 패킷에 대한 확인과 재전송이 이루어짐

TCP 전송 오류 제어

• 송신 측이 데이터를 전송한 후, 일정 시간 내에 ACK를 받지 못하면 타임아웃 발생
• 타임아웃 시 해당 데이터(Seq=31 등)를 재전송
• 수신 측이 ACK로 정상 수신을 알리면, 송신 측은 다음 데이터 전송
• 중복 ACK, Go-back-N, 순서 제어 등 다양한 오류 제어 기법 사용

TCP 연결 해제

• 연결 해제는 4-way handshake로 진행
  1. 한쪽에서 FIN 패킷 전송(연결 해제 요청)
  2. 상대가 ACK로 응답
  3. 상대도 FIN 패킷 전송(연결 해제 동의)
  4. 처음 요청자가 ACK로 응답(연결 종료)
• 데이터가 모두 전송된 후, 양쪽에서 순차적으로 FIN과 ACK를 주고받으며 연결을 안전하게 종료

UDP

데이터그램 분실

• 송신지(source)에서 4, 3, 2, 1 순서로 데이터그램(패킷)을 전송
• 네트워크를 거치며 중간 라우터에서 3번 데이터그램이 분실
• 수신지(destination)에는 4, 2, 1번 데이터그램만 도착
• UDP는 데이터그램 분실에 대한 복구 기능이 없으며, 순서 번호 기능도 없어 분실 여부를 자체적으로 확인할 수 없음
• 데이터그램 분실은 네트워크 혼잡, 버퍼 오버플로 등 다양한 원인으로 발생할 수 있음
• 이미지
  

데이터그램 도착 순서 변경

• 송신지에서 4, 3, 2, 1 순서로 데이터그램을 전송
• 서로 다른 경로를 통해 데이터그램이 전달되면서, 일부 데이터그램이 먼저 도착
• 수신지에서는 2, 1, 4, 3 순서로 데이터그램이 도착
• UDP는 데이터그램의 도착 순서를 보장하지 않으며, 순서가 바뀌어 도착하는 경우도 발생
• 순서 보장이 필요한 경우 응용 프로그램 레벨에서 별도의 순서 번호 처리 및 재정렬이 필요
• 이미지
  

네트워크 주소의 종류와 의미

IP 주소

• 네트워크 상에서 각 컴퓨터(호스트)를 식별하는 논리적 주소
• 예시: 173.168.16.11
• 네트워크 통신에서 목적지와 출발지를 지정할 때 사용

루프백(Loopback) 주소

• 자신의 컴퓨터를 가리키는 특수한 IP 주소
• 예시: 127.0.0.1 (localhost)
• 네트워크 장치를 거치지 않고, 내부적으로 자기 자신과 통신할 때 사용
• 소프트웨어 테스트, 개발 환경 등에서 활용

MAC 주소

• 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에 할당된 고유한 물리적 주소
• 예시: 28:05:FF:58:31:05
• 데이터 링크 계층에서 장치 식별에 사용
• 제조사에서 하드웨어적으로 부여, 전 세계에서 유일

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소프트웨어공학이란 무엇인가?

소프트웨어공학(Software Engineering)

• 학문적 의미
  • 높은 품질의 소프트웨어를 효율적으로 개발하는 방법을 탐구하는 학문/연구 분야
• 실천적 의미
  • 소프트웨어를 제품화함에 있어서 적용할 수 있는 품질보증 및 개선 활동을 규정하는 프로세스
• IEEE 정의
  • “The application of a systematic, disciplined, quantifiable approach to the development, operation, and maintenance of software”
  • “Multi-person construction of multi-version software”

소프트웨어의 품질

• 중요 임무를 수행하는 시스템
  • 인명 손실이나 재해 등 큰 위험이 소프트웨어 결함에서 비롯될 수 있음
  • 예: 화성탐사로봇의 priority inversion 문제
• 일반적인 시스템
  • 소프트웨어 결함은 비즈니스에 큰 타격을 줄 수 있음
  • 예: 민감정보 유출, 제품 리콜, 서비스 다운타임으로 인한 고객 유실 등

소프트웨어 품질 보증의 어려움

• (제조업과 달리) 검증을 위한 프로토타입 제작과 양산 단계를 구별하기 어려움
  • 소프트웨어는 개발활동이 곧 생산활동
• 코드의 변경과 개선이 끊임없이 일어남
  • 형상을 달리하며 지속적으로 진화하는 시스템
• 통제된 공정을 적용하기 어려움
  • 많은 개발자들이 제품 코드에 접근할 필요
  • 잦고 유연한 릴리스(딜리버리 퍼포먼스)가 비즈니스 경쟁력에 직결

소프트웨어 개발 프로세스 성숙 모델

• 소프트웨어 개발 조직의 역량을 가능한 한 객관적이고 정량적으로 평가하는 모델
• 대표적 모델:
  • CMMI (Capability Maturity Model Integrated)
    • 미국 국방부 주도로 1980년대 중반 개발, 현재까지 수천 개 기업이 평가/인증
    • 5단계 성숙도 모델:
      1. Initial (초기): 프로세스 없음, 예측/통제 불가
      2. Managed (관리됨): 프로젝트별 프로세스, 일정/비용/품질 관리
      3. Defined (정의됨): 조직 전체 표준 프로세스 수립, 프로세스 테일러링, 교육
      4. Quantitatively Managed (정량적 관리): 품질·성과·효율 등 정량적 측정 및 통제
      5. Optimizing (최적화): 지속적 개선, 혁신, 데이터 및 피드백 기반 개선
  • SPICE (Software Process Improvement and Capability dEtermination)
    • ISO/IEC 15504에 따라 규정, 프로세스 개선과 조직 평가 모델로 활용
  • 비교
    • ISO 9001, Ford Q1 등 품질경영 및 품질보증 국제규격과 비교 가능

소프트웨어 개발 및 유지관리 프로세스

• 개발방법론: 구조적, 정보공학적, 객체지향적, 컴포넌트 위주 등 다양한 프로세스 모델 존재
• 형상관리: 소스코드를 포함한 구성요소의 변경 통제, 기록, 추적
• 단계별 산출물 관리: 각 프로세스 단계별 필수 산출물의 제작, 검수, 유지관리
• 요구사항 관리: 고객 요구 및 제약사항을 이해, 명확화, 개발 및 납품 프로세스 관리
• 테스트 및 검증: 단위/통합/인수 테스트 등 품질보증 위한 조직 및 절차 규정

소프트웨어 개발(및 품질관리)의 중요 측면

• 도구 및 프로세스의 선택/절차 고도화보다, 설계/개발/테스트/배포/운영에 참여하는 조직원의 마음가짐이 더 중요
• 규정된 절차와 지침 준수(귀찮더라도)
• 점진적 개선을 위한 활동에 적극 참여
• 모범사례(Best Practice)로부터 교훈, 조직에 맞는 프로세스 채택 및 발전, 신뢰성과 경제성 확보 노력

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폭포수 모델과 애자일 모델

소프트웨어 개발방법론

• 시스템 개발을 위해 어떤 방법을 선택할지 결정해야 함
• 널리 알려진 접근법으로는 폭포수(waterfall) 모델, 애자일(agile) 모델이 있음
• 공통 요소가 많지만, 무엇보다도 개발조직의 특성 및 환경에 맞게 조정/재정의하여 적합한 방법을 택하는 것이 중요
  • 프로젝트의 환경이나 제약사항을 고려해 기존 방법론의 한계를 극복하려는 노력이 필요

폭포수(Waterfall) 모델

• 1960~1970년대에 제안된 가장 단순하고 고전적인 소프트웨어 개발 모델
• 요구사항(Requirements) → 설계(Design) → 구현(Implementation) → 검증(Verification) → 유지보수(Maintenance) 순서로 단계별로 진행
• 각 단계가 끝나야 다음 단계로 넘어가며, 이전 단계로의 loopback(피드백)도 일부 허용
• 장점: 문서화가 잘 되어 있어 유지보수와 인수인계에 유리, 명확한 요구사항과 계획이 있을 때 적합
• 단점: 요구사항 변경에 유연하게 대응하기 어렵고, 개발 도중 변경이 많거나 불확실성이 큰 프로젝트에는 부적합

애자일(Agile) 모델

• 변화에 유연하게 대응하고, 반복적·점진적으로 소프트웨어를 개발하는 방법론
• 애자일 선언문(Manifesto for Agile Software Development)
  • Individuals and interactions over processes and tools
  • Working software over comprehensive documentation
  • Customer collaboration over contract negotiation
  • Responding to change over following a plan
• 유연하고 가벼운 조직적 움직임, 민첩한 대응을 중시
• XP(extreme programming), Scrum, Kanban 등 다양한 실천적 방법론 포함

스크럼(Scrum)

• 애자일 방법론의 대표적 실천 방법
• Product Backlog(전체 요구사항) → Sprint Planning(스프린트 계획) → Sprint Backlog(스프린트 목표) → Sprint(개발 주기, 보통 2~4주) → Daily Scrum(매일 짧은 미팅) → Increment(완성된 결과물) → Sprint Review(스프린트 검토) → Sprint Retrospective(회고)로 반복
• Dev(개발자), SM(스크럼 마스터), PO(프로덕트 오너) 등으로 구성된 자율적 팀이 중심
• 반복적 개발과 피드백을 통해 점진적으로 제품을 완성

스크럼 방식의 장단점

• 장점
  • 반복 주기(스프린트)마다 실행 가능한 제품을 만들어 사용자와 충분히 의견을 교환할 수 있음
  • 데일리 미팅(스탠드업)을 통해 팀원들 사이에 빠른 협조와 조율이 가능
  • 스프린트 단위의 제품 개발을 통한 업무 집중 환경 조성
  • 프로젝트 진행 현황을 모니터링하고 신속하게 목표와 결과 추정, 변화 시도가 가능
• 단점
  • 스프린트가 끝날 때마다 실행 가능 또는 테스트 가능한 제품을 만들어야 하므로 추가 작업 소요
  • 데일리 스크럼 미팅에 매우 짧은 시간 제한이 설정되어 있음(15분)
  • 프로세스 품질 평가가 어려움(회고의 중요성이 부각)

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짝 프로그래밍(Pair Programming)

• 하나의 워크스테이션(컴퓨터, 키보드, 마우스 등)에서 두 명이 함께 코드 개발
  • Driver & Navigator 역할 분담
  • 주니어-시니어로 짝을 구성하면 지식 공유 측면에서 효율이 높다는 연구 결과가 있음
• 개발 비용이 두 배 증가하는가?
• 개발 효율이 두 배 이상 증가 가능한가?

코드 리뷰, 리팩토링과 클린 코드

코드 리뷰 (Code Review)

• 개발자가 작성한 코드를 다른 개발자가 정해진 방법을 통해 검토하는 일
• 소프트웨어의 품질을 향상, 보장하기 위한 중요한 활동
• 형태: 상급자 검토, 집단 검토, 동료 검토 등
• 종류: 코드 규칙 검사, 실패 검출, 워크스루(walk through) 등

좋은 코드란

• 의도된 기능을 올바르게 수행한다고 해서 반드시 좋은 코드가 되는 것은 아님
  • 컴퓨터에게 좋은 코드 vs 사람에게 좋은 코드 구분 필요
• 코드는 기능적 역할뿐만 아니라 외관(모습)도 중요
  • 소프트웨어는 살아 있는 개체처럼 요구사항 변화와 코드 변경이 반복됨
  • 클린 코드를 작성하려는 습관 필요
• 코드의 형태적 명확성
  • 문법적 형식: 코딩 규약 준수 여부, 올바르고 명확한 문법 사용
  • 구문 의미적 형식: 같은 결과를 내는 코드라도 더 명확하게 의도를 드러내는 코드가 더 좋음

코드 인스펙션 (Code Inspection)

• 3~6명 정도의 관련자들이 개발 과정에서 적당한 준비를 한 후 모여 결함을 찾기 위한 집중적 검토 모임
• 인스펙션은 한 번에 최대 두 시간, 하루에 두 번씩으로 제한하는 것이 권장됨
• 참가자들은 Moderator, Reader, Inspector, Recorder 등으로 역할을 분담
• 오류를 찾기 위한 목적에 집중할 수 있도록 모두가 노력
• 오류 발견 및 수정을 가능한 한 빠른 단계에서 하려는 노력(비용 절감, 생산성 향상)
• Level of formality(형식성 수준)에 따라 Informal → Walkthrough → Technical Review → Inspection 순으로 공식적

코드 인스펙션에서 주의할 점

• 오류를 발견하기 위한 목적이므로, 토론은 짧고 간단하게
• Moderator는 논의가 본질에서 벗어나지 않도록 미팅 목적을 상기시킴
• 오류 발견과 제거가 목적이지 개발자 비판이나 질책이 아님
  • 개인적 공격이나 비판은 절대 삼가야 함
• 오류를 조기에 발견하고 제거하기 위한 공동의 노력임을 기억
  • 평가나 과시의 자리가 아님